EP3072218A1 - Démarreur de véhicule automobile de faible puissance a taille optimisée - Google Patents

Démarreur de véhicule automobile de faible puissance a taille optimisée

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Publication number
EP3072218A1
EP3072218A1 EP14809489.9A EP14809489A EP3072218A1 EP 3072218 A1 EP3072218 A1 EP 3072218A1 EP 14809489 A EP14809489 A EP 14809489A EP 3072218 A1 EP3072218 A1 EP 3072218A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
starter
conductors
notches
aluminum
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14809489.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Nicolas Labbe
Jean Sébastien Metral
Raphaël Andreux
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Original Assignee
Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by Valeo Equipements Electriques Moteur SAS filed Critical Valeo Equipements Electriques Moteur SAS
Publication of EP3072218A1 publication Critical patent/EP3072218A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/02—Windings characterised by the conductor material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings

Definitions

  • the invention relates to a motor starter of low power with optimized size.
  • the invention finds a particularly advantageous, but not exclusive, application with starter systems so-called "stop and start” for stopping and restarting the engine of the vehicle according to particular traffic conditions.
  • a starter provided with a launcher capable of transmitting a rotation energy of the starter to a crankshaft of the engine through a crown starting.
  • This launcher is mounted on a drive shaft.
  • a speed reducer is interposed between this drive shaft and the shaft of an electric machine.
  • This electric machine comprises on the one hand, a rotor, also called armature and on the other hand, a stator, also called inductor, mounted coaxially around the rotor.
  • the stator has several permanent magnets or coil poles (electromagnets).
  • the rotor comprises a body in the form of a bundle of sheets and conductors forming the winding inserted in longitudinal notches formed at the outer periphery of the sheet bundle.
  • the conductors have welded ends on the blades of a collector on which brushes are rubbed for feeding the winding.
  • the thermal engines may have a reduced dimensioning because of the improvement of their efficiency or their combined use with an electric traction motor in the case of hybrid vehicles.
  • Car manufacturers therefore need to reduce the size of corresponding starters with a reduced power requirement, and to reduce the size under the hood of the vehicle.
  • the rotors are provided with a coil made of copper which has the advantage of having good electrical conductivity with respect to other materials, which reduces the size of the rotors.
  • a more resistive material than copper, such as aluminum it is well known that this leads, for the same level of torque produced, to a longer electrical machine, so more voluminous.
  • FIGS. 1A, 1A ', 1B, 1B' and 1C are curves which represent the armature length as a function of the pair and are Pareto fronts, ie join optimal definition points to the characteristics. different design. These characteristics are: the number of notches; conductor wire diameter; lead wire material; thickness of ferrite magnets; breech thickness.
  • FIG. 1A shows a curve of a starter rotor whose conductor is made of aluminum. This curve shows the optimum points taking into account the 5 characteristics mentioned above. It can be seen that to have a smaller rotor length, it is preferable that the conductor is copper.
  • the curve 1 B which is a curve prolonging that of 1 A towards the small powers, that when the torque is less than 55N.m is a maximum rotor torque 1 1, 9 Nm, the curve is flat, that is to say that the length for an optimum rotor remains at 100mm.
  • the invention departs from the unexpected finding that, in a certain range of reduced power of the starter, it is the use of aluminum and non-copper conductors that ensures the desired electromechanical performance at minimum machine volume electric.
  • FIG. 1C which represents the set of curves 1A, 1A ', 1B, 1B' for the power ranges of the range P1
  • the search for an active volume The minimum torque induced armature leads to the use of a copper armature winding rather than aluminum.
  • the length of an aluminum armature LAI is greater than the length LCu of a copper armature.
  • FIG. 2 represents the evolution of a characteristic quantity defined as the integral J of the difference e between the active length of an armature in aluminum (LAI) and the active length of a copper armature (LCu) with the same product torque.
  • Xkw of starter means the power of a maximum starter according to a supply law of a straight voltage / current characterized for OA a voltage of 1 1, 5V, with a source resistance of 10 mili OHm terminals of the starter. This measurement is made according to the ISO 8856 standard.
  • the invention therefore relates to a starter for a motor vehicle comprising an electric machine provided with a rotor comprising:
  • a collector comprising a set of electrically conductive blades
  • the conductors inserted into the slots are aluminum-based for a starter having a power of less than 1 .3kW.
  • the invention also relates to a starter for a motor vehicle comprising an electric machine provided with a rotor comprising:
  • a collector comprising a set of electrically conductive blades
  • notches arranged on an outer periphery of the rotor body, and a winding formed by a set of conductors inserted at least partly inside the notches and electrically connected to the collector blades,
  • the conductors inserted in the notches are based on aluminum for a starter having a maximum torque of less than 10.82N.m according to a supply law of a straight voltage / current characterized for OA a voltage of 1 1, 5V, with a source resistance of 10 milli Ohm across the starter.
  • a starter having its aluminum conductors having the same characteristics as a starter having its copper conductors (rotor length etc ..) will have a larger max torque.
  • the conductor comprises an insulating layer directly on the aluminum-based core layer.
  • the conductor comprises a single conductor core layer comprising a single aluminum-based alloy.
  • the conductor comprises a single conductive core layer comprising a single alloy based on aluminum or only aluminum. According to one embodiment of these inventions, the conductor has its aluminum-based layer welded directly to the collector.
  • the conductors inserted into the slots are based on aluminum for a power range of between 1 and 1.2 kW.
  • portions of each conductor located inside said slots are made of an alloy consisting predominantly of aluminum.
  • the conductors are pin-shaped.
  • said electric machine comprises a stator having an outer diameter of the order of 60 mm.
  • said rotor has an outer diameter of the order of 44mm.
  • said rotor has a length of the order of 30 mm. In one embodiment, the rotor has between 2 and 29 notches.
  • the rotor has 19 notches.
  • said rotor comprises 23 notches.
  • said rotor has 25 notches.
  • said rotor comprises 29 notches.
  • said electric machine comprises a stator provided with poles formed by permanent magnets.
  • stator poles are six in number.
  • the conductors have a diameter of between 1.5 and 2 millimeters, preferably between 1.5 and 1.9.
  • FIGS. 1A, 1A 'and 1B, 1B' already described, show the evolution of the armature lengths of copper and aluminum as a function of the torque produced for a same outer diameter of the electric machine and the same electrical resistance;
  • FIG. 1C shows the evolution of the armature lengths of copper and aluminum as a function of the torque produced for the same external diameter of the electric machine and the same electrical resistance;
  • FIG. 2 already described, is a representation, obtained from the curves of FIG. 1, of the evolution of a characteristic quantity defined as the integral of the difference between the active length of an aluminum armature and the active length of a copper armature with the same torque produced.
  • Figure 3 shows a longitudinal sectional view of a thermal engine starter according to the present invention.
  • FIG. 4 represents a perspective view of a rotor used with the starter according to the invention
  • Figure 5 shows a cross-sectional view of the two conductor layers positioned within the notches of the rotor.
  • the starter 1 comprises a drive shaft 2, a launcher 3 mounted on the shaft 2 and an electric machine 5 operating in motor mode composed of an inductor stator 8 and an armature rotor 9 mounted coaxially along an axis X.
  • the stator 8 surrounds the rotor 9 integral with a shaft 14.
  • the machine 5 comprises a carcass 51 mounted on a metal support 12 of the starter 1 intended to be fixed on a part fixed of the motor vehicle.
  • the stator 8 comprises in one embodiment a plurality of permanent magnets forming the poles of the stator 8 and carried by the inner periphery of the cylinder head 10. Alternatively, as shown in the embodiment of FIG.
  • the poles are formed by windings 1 1 each positioned around a polar mass 15 integral.
  • the polar masses 15 are fixed with bolts 16 to the bolt 10, here metallic, as described in the document FR261 1096.
  • Each winding January 1 is composed of a continuous conductor wound around the polar mass in the direction of its thickness so as to form concentric contiguous turns of increasing diameter as better visible in Figures 2 to 5 of EP749194.
  • the axis of each winding is radial with respect to the X axis of the rotor 9.
  • a gear reduction gear 13 of the epicyclic gear type is preferably interposed between a rear end of the drive shaft 2 and the shaft 14 of the electric motor 5.
  • Brooms 17 rub on conductive blades 18 of a collector 20 to supply the rotor winding.
  • the brushes 17 belong to a brush holder 23 equipped with guiding cages and receiving brushes 17. These brushes 17 are biased towards the conductive blades 18 by resilient means 25 of the spring type.
  • the brush holder 23 is secured to a rear flange 24 having in the central portion a housing for mounting a needle bearing. The bearing of the rear flange 24 is used for rotatably mounting one end of the shaft 14 of the electric motor 5.
  • the starter 1 also comprises an electromagnetic contactor 29 extending parallel to the electric motor 5 by being radially implanted above it.
  • the contactor 29 has a metal tank 30 carried by the support 12, and equipped with an excitation coil 33 provided with at least one winding. A shoulder of the tank 30 makes it possible to ensure the axial setting of a fixed core 34.
  • Terminals 37, 38 are shaped to each form a fixed contact inside the tank 30.
  • One of the terminals 37 is intended to be connected to the positive terminal of the vehicle battery, the other terminal 38 is connected at the input of the inductor winding of the stator 8 and the brushes 17 of positive polarities.
  • a movable core 40 is attracted by magnetic attraction towards the fixed core 34 to, on the one hand, act after catching a game on a rod 41 carrying a contact mobile 42 to cause the closure of the contacts of the contactor 29 and power the electric motor 5 of the starter 1, and secondly, actuate a control lever 45 of the launcher 3.
  • the drive shaft 2 is rotatably mounted in a front bearing 46 of the support 12.
  • This bearing 46 is constituted by way of example by a needle bearing or alternatively by a plain bearing.
  • This shaft 2 carries at the front a stop 48 adjacent to the bearing 46 to limit the movement of the launcher 3.
  • the launcher 3 is slidably mounted on the drive shaft 2, and comprises a drive pinion 50, a driver 51 configured to be actuated by the pivoting control lever 45, and a freewheel device 52, for example of the roller type, installed between the driver 51 and the pinion 50.
  • the upper end of the lever 45 is mounted in a known manner to articulation on a rod elastically connected to the movable core 40 via a spring, said spring against tooth, housed in the movable core 40.
  • the driver 51 is internally provided with helical splines in complementary engagement with external helical teeth carried by the drive shaft 2.
  • the launcher 3 is thus animated by a helical movement when it is moved. by the lever 45 in the direction of the stop 48 to come, via its pinion 50, in engagement with the starting ring of a heat engine 5.
  • freewheel device 52 can be replaced by a conical clutch device or a clutch provided with several friction discs, as described in the document FR2978500.
  • launcher 3 variant is implanted outside the support 12.
  • FIG. 4 shows the rotor 9 comprising a body 91 mounted on the shaft 14 of axis X.
  • This body 91 in the form of a bundle of sheets has an outer periphery of cylindrical shape.
  • Notches 92 are formed longitudinally at the outer periphery of the body 91.
  • a set of conductors 93 are threaded inside each of these notches 92.
  • the ends of the conductors 93 are welded to the electrically conductive blades 18 of the collector 20.
  • the blades 18 are made of copper.
  • the blades 18 are carried by a support 94 of plastic material integral with the shaft 14.
  • the support 94 of the The collector is, for good temperature resistance, thermosetting plastic material, such as a thermosetting phenolic plastic material, for example bakelite.
  • the manifold 20 which has blades 18 extending longitudinally side by side on the outer periphery of the support 94 is of the "drum" type.
  • the collector 20 used may be a flat type collector.
  • each conductor 93 pin-shaped has two branches 931, 932 connected by a bottom 933 so as to form a U.
  • the conductors 93 are based on aluminum.
  • these conductors 93 are made of an alloy consisting mainly of aluminum, that is to say with an aluminum content greater than or equal to 50%. In an exemplary embodiment, this alloy consists almost exclusively of aluminum, that is to say that the aluminum content exceeds 90% and preferably 95%.
  • the portions of each conductor 93 located inside the notches 92 corresponding to the branches 931, 932 are made of this alloy.
  • the ends of the conductors 93 may however be made of copper to facilitate their welding on the blades 18 of the collector 20.
  • Each conductor 93 is preferably coated with an electrically insulating layer, such as enamel.
  • the conductors 93 are threaded inside the notches 92 on two distinct layers: the upper layer and the lower layer. If one of the branches 931, 932 is positioned in the lower layer then the other branch 931, 932 is in the upper layer and vice versa.
  • the cross section of the conductors 93 may be round or square or rectangular.
  • the portions of the conductors 93 projecting from the end faces of the body 91 of the rotor 9 form the buns of the winding.
  • frets 96 are positioned respectively around the buns. As can be seen in FIG.
  • a slot insulator 97 is positioned around the branches 931, 932 of the conductors.
  • this insulator 97 has an S-shaped section. This insulation makes it possible not to harm the conductors 93 (coated with the thin layer of enamel) during their mounting in the package of laminations of the rotor 9 provided by definition of burrs and fluted for force fitting of the rotor plate package.
  • the clearance between the insulation 97 and the edges of the notches 92 is filled by an impregnating varnish.
  • the conductors 93 pin-shaped are replaced by winding son.
  • the stator 8 which has six poles, has a yoke 10 having an outer diameter of about 60 mm.
  • power of 1 kw we mean the power characteristic of a starter, a maximum power for a source of 1 1, 5V and Omiliohm.
  • the rotor 9 has an outer diameter of about 44 mm and a length of about 30 mm.
  • the rotor 9 has 25 notches and the armature leads 93 have a diameter of the order of 1 .6 mm.
  • the current point / torque of the pinion is of the order of 600 A, we obtain a torque of the order of 15.0 N.m.
  • Thickness of ferrite magnets is 5.9mm
  • the thickness of the cylinder head is 2.2mm.
  • the resistance stress of a 1 KW starter is about 7Milliohm while that of a 1KW power starter is about 5Milliohm.
  • the stator 8 which has six poles, has a yoke 10 having an outer diameter of the order of 60mm.
  • the rotor 9 has an outer diameter of about 44 mm and a length of about 30 mm.
  • the rotor 9 has 25 notches and the armature leads 93 have a diameter of the order of 1 .9 mm.
  • the current / torque of the pinion is of the order of 700 A
  • the thickness of ferrite magnets is 5.9 mm
  • the thickness of the yoke is 2.2 mm. It can be seen that the rotor having aluminum conductors is better for all starters below or equal to 1, 3kw or even if the length of the rotor is greater than 100mm as the performance / weight ratio.
  • the rotor 9 has 23 or 29 notches.
  • the rotor 9 has a conductor wire diameter of between 1.4 and 2.3.
  • the stator comprises ferrite magnets to form the poles and the thickness is between 2 and 2.4mm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Abstract

L'invention porte sur un démarreur pour véhicule automobile comportant une machine électrique munie d'un rotor (9) comprenant: 5 un corps (91) de forme cylindrique monté sur un arbre (14), un collecteur (20) comprenant un ensemble de lames (18) électriquement conductrices, des encoches (92) ménagées sur une périphérie externe du corps (91) du rotor (9), et un bobinage formé par un ensemble de conducteurs (93) insérés au moins en partie à l'intérieur des encoches (92) et reliés électriquement aux lames (18) du collecteur (20), caractérisé en ce que les conducteurs (93) insérés dans les encoches (92) sont à base d'aluminium pour un démarreur ayant une puissance inférieure à 1.3kW.

Description

DEMARREUR DE VEHICULE AUTOMOBILE DE FAIBLE PUISSANCE A
TAILLE OPTIMISEE
L'invention porte sur un démarreur de véhicule automobile de faible puissance à taille optimisée. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse, mais non exclusive, avec les démarreurs de systèmes dits "stop and start" permettant l'arrêt et le redémarrage du moteur thermique du véhicule en fonction notamment des conditions de circulation.
Afin de démarrer un moteur thermique, notamment d'un véhicule automobile, il est connu d'utiliser un démarreur pourvu d'un lanceur capable de transmettre une énergie de rotation du démarreur à un vilebrequin du moteur thermique par l'intermédiaire d'une couronne de démarrage. Ce lanceur est monté sur un arbre d'entraînement. Dans une forme de réalisation, un réducteur de vitesse est intercalé entre cet arbre d'entraînement et l'arbre d'une machine électrique. Cette machine électrique comporte d'une part, un rotor, encore appelé induit et d'autre part, un stator, encore appelé inducteur, monté coaxialement autour du rotor. Le stator comporte plusieurs aimants permanents ou des pôles bobinés (électroaimants).
Le rotor comporte un corps sous forme d'un paquet de tôles et des conducteurs formant le bobinage insérés dans des encoches longitudinales ménagées à la périphérie externe du paquet de tôles. Les conducteurs présentent des extrémités soudées sur des lames d'un collecteur sur lesquelles viennent frotter des balais pour l'alimentation du bobinage.
Les moteurs thermiques peuvent présenter un dimensionnement réduit du fait de l'amélioration de leur rendement ou de leur utilisation combinée avec un moteur électrique de traction dans le cas des véhicules hybrides. Les constructeurs automobiles imposent donc de réduire la taille des démarreurs correspondants ayant un besoin en puissance réduit, et ce afin de diminuer l'encombrement sous le capot du véhicule. Classiquement, les rotors sont munis d'un bobinage réalisé en cuivre qui présente l'avantage d'avoir une bonne conductivité électrique par rapport aux autres matériaux, ce qui permet de diminuer la taille des rotors. Concernant l'option éventuelle de l'emploi d'un matériau plus résistif que le cuivre, comme par exemple l'aluminium, il est bien connu que cela conduit, pour un même niveau de couple produit, à une machine électrique plus longue, donc plus volumineuse.
Les courbes des figures 1 A, 1 A', 1 B, 1 B' et 1 C sont des courbes qui représentent la longueur d'induit en fonction du couple et sont des fronts de Pareto, i.e. joignent des points de définitions optimales aux caractéristiques de conception différentes. Ces caractéristiques sont : le nombre d'encoches ; diamètre de fil conducteur ; matériau de fil conducteur ; épaisseur d'aimants ferrites ; épaisseur de culasse. En effet, on obtient ces fronts d'optimums (grâce à l'emploi d'algorithmes) en laissant libres 5 caractéristiques de conception et sous contrainte de résistance d'induit, (essentiel en démarreur car on a besoin d'une résistance assez faible pour assurer la puissance mais aussi de suffisamment importante pour assurer une faible chute de tension à la batterie lors de l'appel initial de courant. Les courbes courant/longueur d'induit sont réalisées selon une loi d'alimentation d'une droite tension/courant caractérisé pour 0A une tension de 1 1 ,5V, avec une résistance de source de 10 mili OHm aux bornes du démarreur. Cette mesure est faite selon la Norme ISO 8856. Le couple correspond au couple maximum (rotor bloqué) à la sortie d'un réducteur de 4,62. Autrement dit, un couple de 50n.m correspond à un couple de rotor maximum d'environ 10,82N.m. La Figure 1 A, représente une courbe d'un rotor de démarreur dont le conducteur est en cuivre. Cette courbe montre les points optimums en prenant en compte les 5 caractéristiques pré-mentionnées. De manière connue, plus la longueur de l'induit est courte plus le couple diminue.
.La figure 1 A', représente une courbe d'un rotor de démarreur dont le conducteur est en aluminium. Cette courbe montre les points optimums en prenant en compte les 5 caractéristiques pré-mentionnées. On peut voir que pour avoir un rotor de plus petite longueur, il est préférable que le conducteur soit en cuivre.
De façon étonnante, on peut voir sur la courbe 1 B, qui est une courbe prolongeant celle de 1 A vers les petites puissances, que lorsque le couple est inférieur à 55N.m soit un couple maximum de rotor 1 1 ,9 N.m, la courbe est plate, c'est-à-dire que la longueur pour un optimum du rotor reste à 100mm.
Pourtant, l'invention part du constat inattendu suivant lequel, dans une certaine plage de puissance réduite du démarreur, c'est l'utilisation des conducteurs en aluminium et non de cuivre qui permet d'assurer les performances électromécaniques recherchées à volume minimal de machine électrique.
En effet, on peut voir que contrairement à la courbe B du cuivre, la courbe de l'aluminium de la figure 1 B' la longueur du rotor de démarreur diminue si le couple diminue.
En effet, comme cela ressort clairement de la figure 1 C, qui représente l'ensemble des courbes 1 A, 1 A', 1 B, 1 B' pour les gammes de puissances de la plage P1 , la recherche d'un volume actif minimal d'induit à couple donné conduit à utiliser un enroulement d'induit en cuivre plutôt qu'en aluminium. En effet, sur cette plage P1 , la longueur d'un induit en aluminium LAI est supérieure à la longueur LCu d'un induit en cuivre.
Toutefois, pour la définition de machines de basse puissance, la recherche d'un volume actif minimal à couple donné conduit à utiliser de l'aluminium plutôt que du cuivre. En effet, pour ce type de machine, l'utilisation de cuivre comme c'est le cas classiquement nécessiterait de réaliser une machine plus longue (à diamètre extérieur identique) pour obtenir une résistance suffisamment élevée pour l'enroulement d'induit. On voit ainsi que sur la plage P2, la longueur d'un induit en aluminium LAI devient inférieure à la longueur LCu d'un induit en cuivre. La figure 2 représente l'évolution d'une grandeur caractéristique définie comme l'intégrale J de l'écart e entre la longueur active d'un induit en aluminium (LAI) et la longueur active d'un induit en cuivre (LCu) à même couple produit. Cette figure met clairement en évidence qu'au-delà d'un extremum E de dimensionnement, l'utilisation d'aluminium permet d'obtenir une machine moins longue, et donc plus compacte qu'avec du cuivre. L'extrémum E est obtenu pour un couple de 50N.m associé à une valeur d'intégrale J d'environ 1830mm. N. m, ce qui correspond à une puissance de l'ordre de 1 .3kW de la machine électrique.
Par X,Xkw de démarreur on entend la puissance d'un démarreur maximale selon une loi d'alimentation d'une droite tension/courant caractérisé pour OA une tension de 1 1 ,5V, avec une résistance de source de 10 mili OHm aux bornes du démarreur. Cette mesure est faite selon la Norme ISO 8856.
L'invention concerne donc un démarreur pour véhicule automobile comportant une machine électrique munie d'un rotor comprenant:
- un corps de forme cylindrique monté sur un arbre,
- un collecteur comprenant un ensemble de lames électriquement conductrices,
- des encoches ménagées sur une périphérie externe du corps du rotor, et
- un bobinage formé par un ensemble de conducteurs insérés au moins en partie à l'intérieur des encoches et reliés électriquement aux lames du collecteur,
caractérisé en ce que les conducteurs insérés dans les encoches sont à base d'aluminium pour un démarreur ayant une puissance inférieure à 1 .3kW.
L'invention concerne aussi un démarreur pour véhicule automobile comportant une machine électrique munie d'un rotor comprenant:
- un corps de forme cylindrique monté sur un arbre,
- un collecteur comprenant un ensemble de lames électriquement conductrices,
- des encoches ménagées sur une périphérie externe du corps du rotor, et - un bobinage formé par un ensemble de conducteurs insérés au moins en partie à l'intérieur des encoches et reliés électriquement aux lames du collecteur,
caractérisé en ce que les conducteurs insérés dans les encoches sont à base d'aluminium pour un démarreur ayant un couple maximum inférieur à 10,82N.m selon une loi d'alimentation d'une droite tension/courant caractérisé pour OA une tension de 1 1 ,5V, avec une résistance de source de 10 milli Ohm aux bornes du démarreur. En effet, on peut voir que pour des démarreurs en dessous de ce seuil, il est préférable d'avoir des conducteurs d'encoches en aluminium même si on modifie les caractéristiques de : nombre d'encoches ; diamètre de fil conducteur ; matériau de fil conducteur ; épaisseur d'aimants ferrites ; épaisseur de culasse. En effet, un démarreur ayant ses conducteurs en aluminium ayant les mêmes caractéristiques qu'un démarreur ayant ses conducteurs en cuivre (longueur de rotor etc ..) aura un couple max plus important.
Selon un mode de réalisation de ces inventions, le conducteur comprend une couche d'isolant directement sur la couche d'âme à base d'aluminium.
Selon un mode de réalisation de ces inventions, le conducteur comprend une seule couche d'âme du conducteur comprenant un seul alliage à base d'aluminium.
Selon un mode de réalisation de ces inventions, le conducteur comprend une seule couche d'âme conductrice comprenant un unique alliage à base d'aluminium ou uniquement de l'aluminium. Selon un mode de réalisation de ces inventions, le conducteur a sa couche à base d'aluminium soudée directement au collecteur.
Selon une réalisation, les conducteurs insérés dans les encoches sont à base d'aluminium pour une plage de puissance comprise entre 1 et 1 .2 kW. Selon une réalisation, des portions de chaque conducteur situées à l'intérieur desdites encoches sont réalisés dans un alliage constitué en majorité d'aluminium.
Selon une réalisation, les conducteurs sont en forme d'épingle. Selon une réalisation, ladite machine électrique comporte un stator ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm.
Selon une réalisation, ledit rotor présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm.
Selon une réalisation, ledit rotor présente une longueur de l'ordre de 30mm. Selon une réalisation, le rotor comporte entre 2 et 29 encoches.
Selon une réalisation, le rotor comporte 19 encoches.
Selon une réalisation, ledit rotor comporte 23 encoches.
Selon une réalisation, ledit rotor comporte 25 encoches.
Selon une réalisation, ledit rotor comporte 29 encoches. Selon une réalisation, ladite machine électrique comporte un stator muni de pôles formés par des aimants permanents.
Selon une réalisation, les pôles du stator sont au nombre de six.
Selon une réalisation, les conducteurs présentent un diamètre compris entre 1 .5 et 2 millimètres, de préférence entre 1 ,5 et 1 ,9.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif mais nullement limitatif de l'invention.
Les figures 1 A, 1 A' et 1 B, 1 B' déjà décrite, montre l'évolution des longueurs d'induits en cuivre et en aluminium en fonction du couple produit pour un même diamètre extérieur de la machine électrique et une même résistance électrique;
La figure 1 C, déjà décrite, montre l'évolution des longueurs d'induits en cuivre et en aluminium en fonction du couple produit pour un même diamètre extérieur de la machine électrique et une même résistance électrique;
La figure 2, déjà décrite, est une représentation, obtenue à partir des courbes de la figure 1 , de l'évolution d'une grandeur caractéristique définie comme l'intégrale de l'écart entre la longueur active d'un induit en aluminium et la longueur active d'un induit en cuivre à même couple produit. La figure 3 montre une vue en coupe longitudinale d'un démarreur de moteur thermique selon la présente invention;
La figure 4 représente une vue en perspective d'un rotor utilisé avec le démarreur selon l'invention;
La figure 5 montre une vue en coupe transversale des deux couches de conducteurs positionnées à l'intérieur des encoches du rotor.
Les éléments identiques, similaires ou analogues conservent les mêmes références d'une figure à l'autre.
En référence à la figure 3, le démarreur 1 selon l'invention comporte un arbre d'entraînement 2, un lanceur 3 monté sur l'arbre 2 et une machine électrique 5 fonctionnant en mode moteur composée d'un stator inducteur 8 et d'un rotor 9 induit montés de manière coaxiale suivant un axe X. Le stator 8 entoure le rotor 9 solidaire d'un arbre 14. La machine 5 comporte une carcasse 51 montée sur un support métallique 12 du démarreur 1 destiné à être fixé sur une partie fixe du véhicule automobile. De manière connue, le stator 8 comporte dans un mode de réalisation une pluralité d'aimants permanents formant les pôles du stator 8 et portés par la périphérie interne de la culasse 10. En variante, comme montré dans le mode de réalisation de la figure 3, les pôles sont formés par des enroulements 1 1 positionnés chacun autour d'une masse polaire 15 solidaire. Les masses polaires 15 sont fixées à l'aide de vis 16 à la culasse 10, ici métallique, comme décrit dans le document FR261 1096. Chaque enroulement 1 1 est composé d'un conducteur continu enroulé autour de la masse polaire 15 dans le sens de son épaisseur de manière à former des spires jointives concentriques de diamètre croissant comme mieux visible dans les figures 2 à 5 du document EP749194. L'axe de chaque enroulement est radial par rapport à l'axe X du rotor 9.
Un réducteur de vitesse 13 à engrenages de type train épicycloïdal est de préférence intercalé entre une extrémité arrière de l'arbre d'entraînement 2 et l'arbre 14 du moteur électrique 5. Des balais 17 frottent sur des lames conductrices 18 d'un collecteur 20 pour alimenter le bobinage rotorique. Les balais 17 appartiennent à un porte- balais 23 équipé de cages de guidage et de réception des balais 17. Ces balais 17 sont sollicités en direction des lames conductrices 18 par des moyens élastiques 25 de type ressort. Le porte-balais 23 est solidaire d'un flasque arrière 24 présentant dans la partie centrale un logement pour le montage d'un roulement à aiguilles. Le palier du flasque arrière 24 sert au montage à rotation d'une extrémité de l'arbre 14 du moteur électrique 5.
Le démarreur 1 comporte également un contacteur électromagnétique 29 s'étendant parallèlement au moteur électrique 5 en étant implanté radialement au-dessus de celui-ci. Le contacteur 29 présente une cuve métallique 30 portée par le support 12, et équipée d'une bobine d'excitation 33 dotée d'au moins un enroulement. Un épaulement de la cuve 30 permet d'assurer le calage axial d'un noyau fixe 34.
Des bornes 37, 38 sont conformées pour former chacune un contact fixe à l'intérieur de la cuve 30. L'une des bornes 37 est destinée à être reliée à la borne positive de la batterie du véhicule, l'autre borne 38 est connectée à l'entrée du bobinage inducteur du stator 8 et aux balais 17 de polarités positives. De manière connue, lors de l'excitation de la bobine 33, un noyau mobile 40 est attiré par attraction magnétique en direction du noyau fixe 34 pour, d'une part, agir après rattrapage d'un jeu sur une tige 41 portant un contact mobile 42 pour provoquer la fermeture des contacts du contacteur 29 et alimenter le moteur électrique 5 du démarreur 1 , et d'autre part, actionner un levier de commande 45 du lanceur 3. L'arbre d'entraînement 2 est monté rotatif dans un palier avant 46 du support 12. Ce palier 46 est constitué à titre d'exemple par un roulement à aiguille ou en variante par un palier lisse. Cet arbre 2 porte à l'avant une butée 48 adjacente au palier 46 pour limiter le déplacement du lanceur 3. Le lanceur 3 est monté coulissant sur l'arbre d'entraînement 2, et comporte un pignon d'entraînement 50, un entraîneur 51 configuré pour être actionné par le levier de commande 45 pivotant, et un dispositif à roue libre 52 par exemple du type à galets installé entre l'entraîneur 51 et le pignon 50.
L'extrémité supérieure du levier 45 est montée de manière connue à articulation sur une tige reliée élastiquement au noyau mobile 40 via un ressort, dit ressort dent contre dent, logé dans le noyau mobile 40.
De manière connue, l'entraîneur 51 est doté intérieurement de cannelures hélicoïdales en prise de manière complémentaire avec des dentures hélicoïdales externes portées par l'arbre d'entraînement 2. Le lanceur 3 est ainsi animé d'un mouvement hélicoïdal lorsqu'il est déplacé par le levier 45 en direction de la butée 48 pour venir, par l'intermédiaire de son pignon 50, en prise avec la couronne de démarrage d'un moteur thermique 5.
Il est clair que le dispositif à roue libre 52 peut être remplacé par un dispositif à embrayage conique ou un embrayage muni de plusieurs disques de friction, comme décrit dans le document FR2978500. De même, il est clair que le lanceur 3 en variante est implanté à l'extérieur du support 12.
La figure 4 montre le rotor 9 comportant un corps 91 monté sur l'arbre 14 d'axe X. Ce corps 91 en forme de paquet de tôles présente une périphérie externe de forme cylindrique. Des encoches 92 sont ménagées longitudinalement à la périphérie externe du corps 91 . Pour former le bobinage, ici de type ondulé, un ensemble de conducteurs 93 sont enfilés à l'intérieur de chacune de ces encoches 92.
Les extrémités des conducteurs 93 sont soudées sur les lames 18 électriquement conductrice du collecteur 20. Dans un exemple de réalisation, les lames 18 sont réalisées en cuivre. Les lames 18 sont portées par un support 94 en matière plastique solidaire de l'arbre 14. Le support 94 du collecteur est, pour une bonne tenue en température, en matière plastique thermodurcissable, telle qu'une matière plastique phénolique thermodurcissable par exemple de la bakélite. En l'occurrence, le collecteur 20 qui présente des lames 18 s'étendant longitudinalement côte à côte sur la périphérie externe du support 94 est du type « tambour ». Toutefois, en variante, le collecteur 20 utilisé pourra être un collecteur de type plat.
Plus précisément, chaque conducteur 93 en forme d'épingle présente deux branches 931 , 932 reliées par un fond 933 de manière à former un U. Les conducteurs 93 sont à base d'aluminium. De préférence, ces conducteurs 93 sont réalisés dans un alliage constitué en majorité d'aluminium, c'est-à-dire avec un taux d'aluminium supérieur ou égal à 50%. Dans un exemple de réalisation, cet alliage est constitué quasiment exclusivement d'aluminium, c'est-à-dire que le taux d'aluminium dépasse 90% et de préférence 95%. Au minimum, les portions de chaque conducteur 93 situées à l'intérieur des encoches 92 correspondant aux branches 931 , 932 sont réalisées dans cet alliage. Les extrémités des conducteurs 93 pourront toutefois être réalisées en cuivre pour faciliter leur soudage sur les lames 18 du collecteur 20.
Chaque conducteur 93 est de préférence revêtu d'une couche électriquement isolante, telle que de l'émail. Les conducteurs 93 sont enfilés à l'intérieur des encoches 92 sur deux couches distinctes : la couche supérieure et la couche inférieure. Si une des branches 931 , 932 est positionnée dans la couche inférieure alors l'autre branche 931 , 932 se situe dans la couche supérieure et inversement. La section transversale des conducteurs 93 peut être ronde ou carrée ou rectangulaire. Les parties des conducteurs 93 s'étendant en saillie par rapport aux faces d'extrémités du corps 91 du rotor 9 forment les chignons du bobinage. Pour assurer un maintien radial des conducteurs 93 dans les chignons et éviter ainsi les effets de la force centrifuge, des frettes 96 sont positionnées respectivement autour des chignons. Comme cela est visible sur la figure 5, un isolant d'encoche 97 est positionné autour des branches 931 , 932 des conducteurs. En l'occurrence, cet isolant 97 présente une section en forme de S. Cet isolant permet de ne pas blesser les conducteurs 93 (revêtus de la mince couche d'émail) lors de leur montage dans le paquet de tôles du rotor 9 doté par définition de bavures et cannelé pour montage à force du paquet de tôles du rotor. En outre, le jeu entre l'isolant 97 et les bords des encoches 92 est comblé par un vernis d'imprégnation. Alternativement, les conducteurs 93 en forme d'épingle sont remplacés par des fils de bobinage.
Dans un exemple de réalisation préférentiel, pour un démarreur ayant une puissance de 1 kW, le stator 8, qui comporte six pôles, a une culasse 10 ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm. Par puissance de 1 kw on entend la puissance caractéristique d'un démarreur, soit une puissance maximum utile pour une source de 1 1 ,5V et l Omiliohm. Le rotor 9 présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm et une longueur de l'ordre de 30mm. En outre, le rotor 9 comporte 25 encoches et les conducteurs d'induit 93 présentent un diamètre de l'ordre de 1 .6 mm. Pour un réducteur de 4,62, le point courant/couple du pignon est de l'ordre de600A, on obtient un couple de l'ordre de 15.0 N.m. Epaisseur d'aimants de ferrites est de 5,9 mm, l'épaisseur de la culasse est de 2,2mm.
La contrainte de résistance d'un démarreur 1 KW est d'environ 7Milliohm alors que celui d'un démarreur de puissance de 1 ,2KW est d'environ 5Milliohm. Dans un autre exemple de réalisation préférentiel, pour le démarreur ayant une puissance de 1 .2kW, le stator 8, qui comporte six pôles, a une culasse 10 ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm. Le rotor 9 présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm et une longueur de l'ordre de 30mm. En outre, le rotor 9 comporte 25 encoches et les conducteurs d'induit 93 présentent un diamètre de l'ordre de 1 .9 mm. Pour un démarreur ayant un réducteur de 4,62, le point condition rotor bloqué et les caractéristiques d'alimentions pré mentionnées, le courant/couple du pignon est de l'ordre de 700A, on obtient un couple de l'ordre de 16.8 N.m. L'épaisseur d'aimants de ferrites est de 5,9 mm, l'épaisseur de la culasse est de 2,2 mm. On peut voir que le rotor ayant des conducteurs en aluminium est meilleurs pour tous les démarreurs en dessous ou égale à 1 ,3kw ou même si la longueur du rotor est supérieure à 100mm étant donné que rapport performance/poids. On peut donc voir que même si le démarreur ayant des conducteurs du rotor en aluminium et qu'il est en dessous de 1 ,3kw ou 1 1 ,9N.m en couple max du rotor selon la courbe caractéristique d'alimentation pré mentionné, ne comporte pas toutes les caractéristiques de l'optimum, le démarreur aura un rotor de plus petite longueur que celui en cuivre.
Alternativement, le rotor 9 comporte 23 ou 29 encoches.
Alternativement, le rotor 9 comporte un diamètre de fil de conducteur compris entre 1 ,4 et 2,3.
Selon une préférence, le stator comprend des aimants en ferrites pour former les pôles et l'épaisseur est comprise entre 2 et 2,4mm.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Démarreur pour véhicule automobile comportant une machine électrique (5) munie d'un rotor (9) comprenant:
- un corps (91 ) de forme cylindrique monté sur un arbre (14),
- un collecteur (20) comprenant un ensemble de lames (18) électriquement conductrices,
- des encoches (92) ménagées sur une périphérie externe du corps
(91 ) du rotor (9), et
- un bobinage formé par un ensemble de conducteurs (93) insérés au moins en partie à l'intérieur des encoches (92) et reliés électriquement aux lames (18) du collecteur (20),
caractérisé en ce que les conducteurs (93) insérés dans les encoches
(92) sont à base d'aluminium pour un démarreur ayant une puissance inférieure à 1 .3kW.
2. Démarreur selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les conducteurs (93) insérés dans les encoches (92) sont à base d'aluminium pour une plage de puissance comprise entre 1 et 1 .2 kW.
3. Démarreur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que des portions (931 , 932) de chaque conducteur (93) situées à l'intérieur desdites encoches (92) sont réalisés dans un alliage constitué en majorité d'aluminium.
4. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les conducteurs (93) sont en forme d'épingle.
5. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite machine électrique comporte un stator (8) ayant un diamètre externe de l'ordre de 60mm.
6. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit rotor (9) présente un diamètre externe de l'ordre de 44mm.
7. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit rotor (9) présente une longueur de l'ordre de 30mm.
8. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit rotor (9) comporte 19 encoches.
9. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que ledit rotor (9) comporte 25 encoches.
10. Démarreur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ladite machine électrique (5) comporte un stator (8) muni de pôles formés par des aimants permanents.
1 1 . Démarreur selon la revendication 10, caractérisé en ce que les pôles du stator (8) sont au nombre de six.
12. Démarreur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conducteurs (93) présentent un diamètre compris entre 1 .5 et 2 millimètres.
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